다중 이종 접합 구조의 정공수송층을 가지는 유기발광소자의 전하 수송 메카니즘에 대한 연구

Abstract

The electrical and the optical properties of organic light-emitting devices (OLEDs), with and without multiple heterostructures consisting of N, N′-bis-(1-naphthyl)-N, N′-diphenyl-1,1′-biphenyl-4,4′-diamine (NPB) and 4,4',4"-tris(N-3-methylphenyl-N-phenyl-amino)-triphenylamine (m-MTDATA) acting as a hole transport layer (HTL), were investigated. The OLEDs with multiple heterostructures acting as a HTL showed the highest luminances and efficiencies due to an increase in the recombination probability, resulting from the decrease of the hole mobility. The efficiency enhancement mechanism in the OLEDs with multiple heterostructures is described on the basis of the electrical and the optical results. The movement of the recombination zone in the OLEDs with multiple heterostructures due to the decrease in the hole mobility was observed by their electroluminescent spectra and Commission Internationale de l’Eclairage coordinates. The EL intensities of devices III and IV at 591 nm are smaller than that of device II, indicating that the recombination probability is reduced in the DCM1-doped Alq3 layer. Because the hole mobilities of devices III and IV are decreased due to the insertion of NPB/m-MTDATA multiple heterostructures, the recombination zone in EML moves to the interface between the HTL and the EML. The decrease of the hole mobility in the multiple heterostructures is clarified from the position of the recombination zone. The luminance efficiency-current density characteristics show that a maximum efficiency of 6.779 cd/A at 16.02 mA/cm2 for device III and 6.441 cd/A at 22.76 mA/cm2 for device IV was obtained. The lifetime characteristics show that 5,000 minutes for device II and 16,000 minutes for device IV due to decease of Alq3 cationic effect. Since holes are accumulated and trapped in HOMO levels of the NPB/m-MTDATA multiple heterostructures of the OLEDs due to the existence of the barrier at the NPB/m-MTDATA heterointerface, the mobility of the holes in the multiple heterostructure is decreased, which enhances the luminance efficiency and lifetime of the OLEDs by achieving a better balance between the numbers of electrons and holes.; 유기발광소자에서 유기물 박막층은 단일층으로 제작될 수도 있으나, 유기물은 정공의 이동도(mobility)가 전자의 이동도보다 크기 때문에 발광층으로 주입되는 전자와 정공의 밀도 조화를 이루기 위해 다층 구조를 사용한다. 이러한 다층구조는 전하주입층, 전하수송층, 발광층로 구성되며 단일층 소자보다 발광효율, 안정성 등에서 향상된 특성들을 보인다. 이것은 다층 구조가 발광층에 주입되는 정공과 전자의 밀도를 적절히 조화시킴을 의미한다고 할 수 있다. 이렇게 발광층에서 엑시톤의 형성 확률을 높여 효율을 상승시키기 위해 정공저지층 또는 전자저지층을 사용하거나 발광층 물질을 정공수송층 물질과 혼합한 구조가 사용되기도 한다. 본 연구에서는 유기발광소자에서 상대적으로 높은 정공의 이동도를 낮추기 위한 다중 이종 접합 구조의 정공수송층을 구성하여 발광 효율을 향상시키려 하였다. 다중 이종 접합 구조의 구성 물질은 일반적으로 정공수송층 물질로 사용되는 NPB 와 정공주입층 물질로 사용되는 m-MTDATA가 사용되었고, 제작된 NPB/m-MTDATA 다중 이종 접합 구조의 유무에 따라 소자의 전기적·광학적 특성 측정이 이루어졌다. 다중 이종 접합 구조의 정공수송층을 사용한 유기발광소자는 다중 이종 접합 구조를 사용하지 않은 소자보다 발광 효율이 크게 향상됨을 관찰하였고, 이러한 발광 효율 증가의 메커니즘을 설명하기 위해 Alq3 녹색 발광층에 DCM1을 국부적으로 도핑하였다. 이는 발광부의 위치가 이동하여 전기 발광 특성이 변함을 통해 정공의 이동도가 줄어드는 것을 실험적으로 증명하기 위함이다. DCM1을 국부적인 위치에 5 nm의 두께, 낮은 비율(0.7%)로 도핑하여 DCM1 도핑이 소자안에서 전하의 수송에 영향을 주지 않게 하였다. 이를 확인하기 위해 DCM1이 도핑되지 않은 기준 소자를 제작하여 DCM1 도핑이 전류의 흐름에 거의 영향을 미치지 않음을 보였다. 또, 다중 이종 접합 구조의 정공수송층은 NPB / m-MTDATA가 세번의 주기로 반복되는 구조와 다섯번 주기로 반복되는 구조로 제작하였다. 다중 이종 접합 구조를 사용한 유기발광소자의 발광층에도 DCM1을 도핑하여 다중 이종 접합 구조가 정공의 이동도를 줄이고 그에 따라 발광부가 변화하는 것을 전기 발광 특성과 색좌표의 변화를 통하여 확인하였다. 세번, 다섯번 반복되는 다중 이종 접합 구조의 최대 발광 효율은 각각 16.02 mA/cm2, 22.76mA/cm2 에서 6.779cd/A, 6.441cd/A 를 나타내어 다중 이종 접합 구조를 사용하지 않은 같은 소자의 최대 발광 효율인 6.084mA에서 4.705cd/A보다 크게 증가하였다. 또한 발광층에서 전자와 전공의 밀도가 조화를 이루어 잉여 정공의 수를 감소시킴으로 소자 수명의 향상에도 크게 기여하였다. 실험 결과를 통해 다중 이종 접합 구조의 정공수송층은 효과적으로 정공의 이동도를 줄여 효율을 향상시킴을 확인하고, 그 동작 메커니즘에 대해서도 알아보았다. 또 다중 이종 접합 구조의 정공수송층을 가진 유기발광소자는 효율 향상 뿐 아니라 수명에도 큰 증가를 보여 앞으로 고효율, 장수명을 가진 풀 칼라 디스플레이(full color display)에 이용 가치가 크다고 할 수 있다.